항해를 기다리고 있는 세계최대의 태양광 보트
2010년 3월 31일 세계에서 가장 큰 태양광 보트가 진수됐다. Baltic해에 모습을 드러낸 이 보트는 Mediterranean으로의 출항에 앞서 이곳에서 다양한 테스트를 거치게 될 것이다. PlanetSolar Boat라고 이름 붙여진 이 보트는 100피트의 길이와 50피트의 규모를 자랑하며 보트 윗부분에 설치된 5,300입방 피트에 달하는 면적의 태양전지에서 생산된 전력을 운항을 위한 전력원으로 사용한다. 이미 상용화된 제품들을 사용하여 제작된다는 점에서 PlanetSolar Boat는 고전기술이 적용된 제품으로 볼 수 있다. 이 보트의 제작목적은 오늘날 사용되고 있는 신재생에너지 기술의 효율, 성능 그리고 신뢰성을 검증하는데 있다. PlanetSolar Boat는 독일의 Kiel에 위치한 HDW조선소에서 건조되었으며 2011년  세계 곳곳을 누비며 7.5노트의 평균시속으로 총 25,000마일의 거리를 항해하는 것을 목표로 한다. Dupont사는 PlanetSolar Boat에 사용되는 태양전지 모듈과 외부환경으로부터 태양전지 모듈의 손상을 막는 필름을 공급했다. Dupont사에 다르면 그들이 공급한 Tedlar Poly (Vinyl Fluoride)필름은 PlanetSolar Boat이 항해하는 동안 부딪치게 될 거친 바다환경으로부터 태양광전지모듈을 보호하여 PlanetSolar Boat의 안정적인 전원공급을 보장하는데 중추적인 역할을 한다고 한다. ACB

Veterans’ Glass City Skyway에 불을 밝혀줄
 ‘고속도로 태양광 발전시스템’
Ohio주 교통부 (Ohio Department of Transportation:ODOT)는 Ohio주 최초의 대규모 태양광발전 고속도로를 만들기 위해 University of Toledo(UT)와 협력하기로 했다고 발표했다. ODOT는 Toledo인근의 280-주간 고속도로(Interstate 280: I-280)를 따라 설치될 태양광 발전시스템의 설치와 연구에 150만 불에 달하는 연방정부 지원금을 투입할 예정이며 여기서 생산된 전력은 Maumee강의 명소인 Veterans’Glass City Skyway다리의 조명을 위해 사용될 것이라고 한다. Veterans’ Glass City Skyway는 유리-철-콘크리트로 만들어진 다리로 Maumee강 주변의 풍광과 어우러져 아름다운 풍경을 연출한다. Veterans’Glass City Skyway의 가장 멋진 모습은 해가 진 이후에 볼 수 있다. Veterans’Glass City Skyway를 구성하는 철탑 하나에는 384개에 달하는 LED가 설치되어 있는데 RGB로 구성된 LED들은 167만 가지 색을 구현할 수 있으며 이를 이용해 만들어진 다양한 영상은 3마일 이상의 거리에서도 관람이 가능할 정도로 웅장하다. Veterans´ Glass City Skyway다리의 유리 구조물은 유리 제조 산업도시였던 Toledo의 역사를 상징한다. I-280의 태양광발전 시스템의 건설은 봄에 시작되었으며 빠르면 올 여름 전력생산을 시작할 수 있을 것으로 예상된다. I-280의 태양광발전 시스템으로부터 생산된 전력은 Veterans’Glass City Skyway다리의 조명과 함께 고속도로에서 시내로 이어지는 진입로의 조명을 위해 사용될 것이다. “이번 프로젝트는 관련된 모든 분야에 큰 이득을 가져다 줄 것입니다.” ODOT의 본 프로젝트관련 Director인 Jolene Molitoris는 이야기 했다. “I-280 태양광 발전 프로젝트는 Ohio주의 대체에너지 관련 산업의 발전을 도모할 뿐 아니라 I-280의 전력망 정비를 통한 ODOT의 에너지 소비절감도 이룰 수 있는 1석 2조의 효과를 가져 올 것입니다.” 향후 2년간 UT는 I-280에서 생산된 전력의 효율적 이용방법과 효과적 관리방안에 대한 연구를 진행할 것이다. Toledo의 지역신문인 Toledo Blade에 따르면 I-280 태양광 발전시스템의 건설에 필요한 태양전지의 절반은 First Solar로부터 나머지 절반은 Xunlight사로부터 공급받는다고 하며 Veterans’ Glass City Skyway의 LED조명에 사용되고 남는 전력은 고속도로의 조명을 위해 부분적으로 사용될 것이라고 한다. ODOT와 UT는 이밖에도 이 프로젝트를 통해 날씨, 먼지, 기물회손 등의 도로변 발전에 영향을 미치는 환경적 요소에 대한 연구도 진행할 것이다. ACB

태양 전지의 효율성을 높이는 새로운 반도체 제조법
새롭게 개발된 반도체 제조기술 덕분에 태양에너지의 미래가 한층 밝아졌다.
실리콘은 태양전지를 비롯하여 대부분의 전자소자에 사용되는 표준적인 반도체 소재이다. 그러나 태양전지 등과 같이 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 분야에서는 효율이 낮은 소재이다. 실제로 갈륨비소와 같은 화합물 반도체 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 효율이 거의 2배 가량 높다. 그러나 이러한 우수함에도 불구하고 제조비용이 높아 우주산업 등 특수분야에만 제한적으로 사용되고 있다.
일이노이대학(University of Illinois)의 John Rogers교수와 Xiuling Li 교수는 다양한 분야에 적용 가능한 저비용 갈륨비소 박막제조 기술을 개발하였다. “갈륨비소와 같은 화합물 반도체의 제조비용을 크기 줄일 수 있다며, 그 응용범위를 크게 확장시킬 수 있을 것이다.”라고 Rogers 교수는 말했다.
지금까지의 연구에서 갈륨비소는 작은 크기의 웨이퍼에 단층의 박막으로 증착되었다. 일리노이대학 연구팀은 한 장의 웨이퍼에 다층의 박막을 증착하는 실험을 시도하였다. 이른바 “펜케이크” 구조를 가지는 갈륨비소의 박막을 다층 구조로 증착할 수 있게 되었다.
한번의 성장과정으로 10개의 층을 성장시킬 수 있다면, 10개의 층을 위해 단지 웨이퍼를 한번만 로딩시키면 된다. 종전이 기술로 다층의 구조를 형성하기 위해서는 온도를 올리고 내리면서 로딩과 언로딩을 거치는 과정에서 많은 시간을 요한다. 이와 같이 각각의 여러 층을 성장시키기 위해 요구되는 장비, 준비과정, 시간, 인력을 고려한다면, 이번의 새로운 접근법은 획기적인 비용 절감 기술이다.
연구팀은 화합물 반도체층과 분리층을 각각 번갈아 연속적으로 성장시켜 한장의 웨이퍼 위에 여러 층의 소자를 성장시킬 수 있는 다층 성장기술을 개발하였다. 이런 방식으로 갈륨비소와 알루미늄비소로 된 적층 구조가 형성되었다. 산성액과 산화제에 적층을 담가 알루미늄비소 층을 용해시키고 각각의 갈륨비소 층이 남게 하였다. 응용분야에 따라 유리, 플라스틱, 실리콘 같은 기판으로 이동시키기 위해 부드러운 스탬프와 같은 소자로 한번에 위에서 아래로 층들을 골라낸 다음, 웨이퍼는 또 다른 성장을 위해 재사용된다.
이와 같은 방법으로 더욱 더 많은 소재를 더욱 빠르고 저비용으로 제조할 수 있게 되었다. 이는 종래의 성장기술인 단일 층 성장과는 달리 벌크(bulk, 괴상)구조 형성을 가능하게 하는 것이다.
“기판의 소재를 자유롭게 선택할 수 있는 것은 얇고, 유연한 박막의 반도체 소자를 만들 수 있는 새로운 가능성을 열게 하는 것이다. 높은 성능을 유지하면서 이런 특성을 발휘 할 수 있는 소자를 만드는 것은 매우 획기적인 일이다.”라고 Li 교수는 말했다.
네이처(Nature)에 발표된 이번 논문에서 연구팀은 다층 구조의 갈륨비소의 칩을 사용한 광 센서, 고속 트랜지스터와 태양전지를 상세한 가격비교와 함께 소개하고 있다
다층 성장기술의 또 다른 장점은 공간적인 제약으로부터 자유롭게 된다는 것이다. 이러한 면은 특별히 태양전지에 대해서는 중요한 부분이다. 적층구조에서 층들을 분리가 가능해짐에 따라서, 종래의 단 층 공정이 기판으로 사용되는 웨이퍼의 크기에 제한되는 것과 달리, 넓은 표면적을 가진 다른 기판을 사용할 수 있게 되어 공간적인 제약으로부터 자유로운 넓은 면적의 전지판을 제작하는 것이 가능하게 되었다. 이번 기술을 통하여 기존보다 최대 10배 넓은 면적을 가지는 층을 성장시킬 수 있게 되었다. 이는 제조비용을 크게 줄이는 효과를 가져다 준다.
이번 논문의 공동저자 인 셈프리어스(Semprius Inc.,)의 두 명의 과학자는 실제 이번 기술을 태양전지 부분에 적용하기 시작했다. 태양전지판의 기반이 실리콘에서 갈륨비소로 옮겨지면서 태양력은 가격적인 측면에서 더욱 효과적인 대체 에너지원이 되었다.
향후, 연구팀은 다층 성장에 적용 가능한 다른 반도체 재료와 더 많은 응용분야에 대한 연구를 계획하고 있다.
이번 연구에는 일리노이대학교(University of Illinois)의 재료공학부의 John Rogers교수팀과 전기컴퓨터공학과의 James Coleman교수팀과 한양대학교의 백운규 교수와 셈프리어스(Semprius)의 Matthew Meitl 박사와 Etienne Menard박사가 참여했다. GTB

블랙 실리콘이 태양 전지를 더 싸게 만든다
간단한 화학처리로 값비싼 태양전지 무반사 코팅 공정을 대체할 수 있어 결정질 실리콘(Crystalline Silicon) 전지판 제조비용 저감이 기대된다.
미국 국립 재생가능에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL)가 개발한 이 화학처리 방법은 집적 회로가 조립되어 있는 얇은 실리콘 원판인 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafers)를 화학용액 용기에 담그어 고도의 무반사 층을 형성시키는 단일 공정이며 비용은 와트당 몇 센트 정도라고 밝혔다. NREL 연구팀은 이러한 공정을 활용하여 시장에서 일반적으로 사용하는 실리콘 전지 효율성과 유사한 성능의 블랙 실리콘 전지를 제조하였다.
일반 결정질 실리콘 웨이퍼는 고진공 공정을 이용하여 결면구조(Textured Surface)를 생성한 후 질화실리콘을 사용한 무반사 층을 코팅시켜 오늘날 사용하는 태양 전지를 만든다. 태양전지 활성층 내부에 광자의 반사 횟수가 커질수록 전지내의 전기흐름이 이탈하게 될 기회가 많기 때문에 무반사 층을 추가하면 태양전지의 효율이 개선된다.
그러나 무반사 층을 코팅하면 비용은 상승된다. NREL의 수석 과학자인 Howard Branz는 블랙 실리콘을 활용하면 이러한 경제성 구조를 개선 할 수 있다고 말한다. 일반적으로 무반사 코팅을 한 최상급 실리콘 계열 태양 전지라도 태양광의 약 3%를 반사한다. 이에 Branz 연구팀은 거의 반사가 없는 블랙 실리콘을 제조할 수 있는 저렴한 공정을 개발 중이다.
NREL에서 제작한 프로토타입 태양전지는 지금까지 보고된 블랙 실리콘 전지 중 가장 효율이 우수하다. 추가적인 무반사 코팅 작업 없이 표면을 검은색으로 코팅한 단결정 실리콘 전지는 태양광 전기 전환율이 16.8%이며 이 효율은 무반사 물질로 코팅한 전형적인 결정질 실리콘 태양전지와 유사한 결과이다. 블랙 실리콘 전지의 기존 전환율은 13.9%였다. 실리콘 웨이퍼의 표면을 처리할때 사용되는 진공 증착 공정(Vacuum-deposition Process)을 대체하기 위해 Branz 연구팀은 태양 전지판 제조공장의 온도 및 압력 조건하에서 현지 장비를 사용하여 수행할 수 있는 화학 공정을 개발하였다. 우선 과산화수소, 플루오르화 수소산(Hydrofluoric Acid), 염화금산(Chloroauric Acid) 용액이 든 용기안에 웨이퍼를 침수시킨다. 이때 용기안에 있는 소량의 금은 화학반응을 위한 촉매 역활을 한다. 정확하게 어떤 화학반응이 일어나는지 알 수 없으나 금 나노입자를 형성하도록 하여 웨이퍼에 다양한 깊이를 가진 나노구멍(Nanoholes)을 만든다. 이 공정에서 사용된 금은 다시 재활용 할 수 있다. 에칭 공정은 상온에서 3분 정도 필요하며 40도에서는 1분 이하가 소요된다. 이러한 공정을 거치면 표면위에 다양한 깊이의 작은 터널들이 형성되면서 블랙 실리콘 웨이퍼는 고도의 흡수성을 지니게 된다. 기공들은 빛을 반사할 정도로 날카롭지 않은 표면을 형성하며 터널의 길이는 어떤 파장의 빛과 상호 작용할 것인지 결정하기 때문에 다양한 터널 길이가 관건이다. 터널 길이의 다양한 변화로 광범위한 빛 스펙트럼을 포획할 수 있다.
NREL 이외에 다른 연구팀도 태양전지와 광학기기용 블랙 실리콘을 개발하고 있다. 그들은 실리콘 터널 반응을 만들기 위해 금속 입자들을 웨이퍼 표면에 위치시킨 다음 산을 투입하는 다단계 공정을 사용한다. SiOnyx사는 실리콘 표면에 작은 콘을 생성하기 위해 펄스 레이저(laser pulses)을 사용한다. SiOnyx사의 블랙 실리콘 제조 방법은 NREL과 다르지만 성능은 유사하다. NREL 연구팀은 진공 과정이 필요하지 않는 단일 액상 공정을 사용하며 에칭 과정에서 태양 전지를 세척하기 위해 공장에서 사용하는 용액용기로 블랙 실리콘 코팅을 수행할 수 있어 매우 경제적이라고 밝혔다. 연구팀은 이 공정 기술에 대해 특허출원을 신청하였다. GTB

콜로이드 양자점 태양전지 개발
캐나다 연구팀은 강하게 결합하는 이좌배위자인 TMPMDTC가 용액 치환 과정을 통하여PbS 콜로이드 양자점을 보호하기 위해 개발하였다[그림 1]. 이 리간드는 나노 결정과 강하게 결합하고 표면 리간드인 올레익산을 대체하여 산화를 방지하는 역할을 한다. 또한 연속적으로 고체 상태 필름 처리를 가능하게 한다. 본 리간드의 사용은 공정 중에 사용되는 재료의 공기 민감도를 감소시켜 일반 환경 하에서 사용하는 효율이 좋은 태양전지를 만들 수 있도록 해준다. 이러한 발견은 콜로이드 양자점 발광 다이오드나 광검출기와 같은 광변환 장치에도 적용될 수 있을 것이다. 이 연구 결과는 미국화학회지 4월 13일자로 인터넷을 통해 발표되었다.
콜로이드 양자점을 사용하여 액상 공정을 통해 제조되는 태양 전지는 대면적, 저가격, 향상된 효율 등의 장점을 제공할 수 있다. 양자 사이즈 효과를 이용한 조절은 가시광부터, 근적외선, 짧은 파장의 적외선까지 태양 에너지를 넓은 영역에 걸쳐 흡수하고 변환할 수 있게 해준다. 최적화된 단종 접합, 직렬 태양전지들이 IR 밴드갭 반도체들에 의존하기 때문에 IR 스펙트럼 영역에 대해 최근 관심이 집중되고 있다. PbS, PbSe, 그리고 PbSxSe1-x 콜로이드 양자점은 넓은 영역에 걸쳐 사이즈 효과를 통해 밴드갭을 조절할 수 있고, 단일, 평면의 Schottky 장치구조에서 연구가 되어왔다. PbSxSe1-x와 PbSe로부터 3.3%와 3.4%의 우수한 태양광 변환 효율이 보고되었다.
모든 보고들에서 이러한 장치들은 심하게 공기에 민감한 것으로 발견되었다. 제조와 특성평가 과정들은 정밀하게 제어된 불활성 환경에서 수행되어야만 한다. 적어도 장치의 성능에 해가 되는 두 가지의 기구가 작동 중에 예상된다. 첫째는 이들 장치들이 태양광에 의해 생성되는 전하 운반자들이 각각의 전기적인 접합부로 이동하는 공핍층의 형성에 의존한다. 산화는 p-type의 도핑을 증가시키고 공핍층의 공간적인 확장을 감소시키고 따라서 광전류를 감소시키게 된다. 둘째로 금속 칼코지나이드 표면의 산화는 전자에 대해 깊은 트랩 준위를 생성시키는 것으로 나타났다. 이들은 재결합 센터로 작용하고 전자의 운송을 지연시킨다. 매우 잘 통제되는 환경에서 공정이 수행되어야만 한다는 조건은 액상공정을 통해 제조될 수 있는 시스템에서 얻을 수 있는 저가격 대면적화의 장점을 감소시킨다.
연구팀은 콜로이드 양자점 태양전지를 제조하는 새로운 접근법을 제시하고자 하였다. 본 접근법은 공기 중에서 공정을 가능하게 함으로써 이러한 한계들을 극복할 수 있고, 이들 장치들로부터 3.6%의 광변환 효율을 얻을 수 있었다. 올레익산, 트리옥틸포스핀/트리옥틸포스핀 산화물과 같은 유기 리간드가 단분산의 보호막이 씌워진 나노 입자들을 제조하기 위해 사용된다. 긴 절연성 리간드들이 콜로이드 양자점 내에서 전하의 이동을 방해하기 때문에 종종 짧은 분자들로 리간드가 교체되기도 한다. 부틸아민이나 피리딘과 같이 약하게 결합하는 리간드가 고체상태의 크로스링킹이나 필름을 밀집시키는데 사용되기도 한다. 산소나 수분이 잘 보호가 되지 않은 콜로이드 양자점들에 쉽게 접근할 수 있는 이유는 바로 약하게 결합되는 리간드의 사용 때문이라고 여겨지며 이를 해결하기 위해 다른 방법을 사용하였다.
연구팀은 강하게 결합을 할 수 있는 리간드가 사용하였다. N-2,4,6-트리메틸페닐-N-메틸디티오카바메이트 (TMPMDTC)는 작으며 서로 결합되어 있고 나노 입자들이 필름으로 들어갈 때 리간드 치환을 필요로 하지 않으며, 카보디티올레이트 [-C(S)S-]그룹은 강한 티올-금속 양이온 결합을 통해 나노 입자들 표면과 결합하기 때문에 이 물질이 사용되었다. 본 리간드는 나노 입자 표면의 올렉이산을 쉽게 치환하여 나노 입자와 강하게 결합해 산소의 침투를 막을 것으로 예상된다. 본 리간드의 사용을 통해 공정 중에 사용되는 재료의 공기 민감도를 감소시켜 일반 환경 하에서 사용하는 효율이 좋은 태양전지를 만들 수 있었다. ACB